长江口外海域三维水动力模拟结果

2023年12月30日发(作者：初中数学试卷家长分析签字)

长江口外海域三维水动力模拟结果

*及与观测的比较

王凯(中国科学院海洋研究所)

刘咪咪

(中国科学院海洋研究所/中国科学院研究生院)

施心慧

(中国海洋大学数学科学学院)

大面积的混浊水域是我国海洋环境的重要特征，长江口外的混浊水海域就是其中具有典型性的海域。对这一海区及其周边海域的水动力观测和研究工作一直不断（丁文兰，1983；Fang，1986；Choi，1980，1984；赵保仁等，1994；叶安乐等，1995；王凯等，1999）。王凯等（2007）对东海三定点的测流结果进行了分析。这些研究成果，加深了人们对东海混浊水域水动力状况的了解和认识。本文作者的研究范围为119°E～125°E, 25°N～34 °N的东海海域。这一海域水文状况复杂，黑潮从研究海域的东南角切入，从而伴生黑潮在台湾东北部对陆架的入侵，形成陆架水与高温高盐的黑潮水之间的相互作用；台湾暖流与浙江沿岸流系在本研究海域的并存，构成夏季闽浙外海极强的温度锋面，是本海域重要的中尺度现123象；长江每年注入9×10m的淡水，也使长江冲淡水现象显得独特而突出；长江每年要向本研究海域输入约5亿t的泥沙，是本混浊水海域重要的陆源物质。在这样情况复杂的海域进行水动力环境要素的模拟和悬浮物输运的研究是一项极有挑战性的工作。本文将对风海流-潮流（含黑潮、长江径流等）水动力模拟结果进行分析，模拟的水位结果与沿岸验潮站的结果进行比较，模拟的海流结果与2006年8月份的实测资料进行比较，获得令人满意的结果。为下一步开展长江口外海域三维悬沙浓度分布的数值模拟打下基础。

一、模型配置及观测资料

ECOMSED(Estuary Coastal Ocean Model and SEDiment-transport model)模式是由上世纪80年代中后期建立起来的河口、陆架和海洋模式（ECOM）发展而来的。ECOM模块采用准静力近似和Boussinesq近似，带有自由海面的海洋三维原始方程组。垂向使用sigma坐标，以便于更好地拟合出实际海域的海底地形；水平方向采用Arakawa C网格，并可适用于正交曲线网格系统以利于更好地刻画出实际海域的岸形情况。垂向湍粘性系数采用Mellort等的湍封闭参数化方案计算（Mellor et al.,1982），水平扩散系数基于Smagorinsky（1963）参数化方案计算。该模式可适用于海湾、河口、近岸海区等浅水海域以及水库和湖泊水动力模拟。有关ECOMSED模式的详细内容可参该模式的用户手册(HydroQual, Inc.,2002)。

计算区域范围为119°E～125°E, 25°N～34 °N的东海海域，其西边为岸界，南、北、东三面为开边界。为了减少水动力模拟在开边界条件选取上的人为性，首先是在渤黄东海（西起大陆岸线，东至130°E；南起25°N，北至辽东湾底40°N）建立起1/6°经纬度网格的海洋数值模式，作为本研究海域水动力模型的大网格计算模型区域（图１）（王凯等，1999；王凯等2001)。使用网格嵌套技术，获得本研究混浊小区域1/20°经纬网格分辨率的

水动力模式，大区通过内插向小区域提供开边界潮位信息，出入流（如东海黑潮等）信息，以便小区域能在比较客观而经济的情况下获得模拟所需的必要的水动力开边界条件。

图2a是本研究模拟海区的地形图。水平网格分辨率3′×3′(图2b)，垂向分为11层。计算中考虑了M2、S2、K1、O1共4个主要分潮。海面风场采用Hellerman等（1983）月平均风场。由于ECOM是一种半隐半显的数值格式，受CFL条件限制确定的时间步长为180s。模63拟采用诊断计算，温盐设为常数。模拟中考虑了台湾以东的黑潮（29Sv，1Sv=10m/s,下同）及长江径流（0.09Sv）等出入流的情况，模式运行在有风海流-潮流（包括黑潮，长江径流

40 N38 N36 N34 N32 N30 N28 N26 N24 N118 E120 E122 E124 E126 E128 E130 E图1 大小区网格嵌套图

等）的环境条件下。

另外，在模式调试过程中发现ECOM模型在借助Foreman（1977）的潮汐程序时（即ptide.f子程序），有一个小地方需要注意。即在“热启动”方式下没有将实际计算域的纬度信息传递到Foreman的子程序中，而只能使用Foreman子程序提供的缺省纬度值。当使用“热启动”

调试程序时，就会与从“冷启动”开始一直算出来的结果有些许差异，这在实际应用中需稍加留意。

34 N

34 N33 N33 N32 NS1S332 N31 NS231 N30 N30 N29 N29 N28 N28 N27 N27 N26 N26 N25 N119 E120 E121 E122 E123 E124 E125 E25 N119 N120 N121 N122 N123 N124 N125 N

图2 计算域地形和网格图

（a）模拟海区的地形图；（b）水平网格分辨率

2006年8月1日～8日，中国科学院海洋研究所应用“科学三号”科考船，在长江口外东海域进行为期8d的海洋综合调查，并在三个站点进行了25h连续海流观测，连续站站名和位置分别是S1站（122°51.881′E，32°0.187′N），S2站（122°54.972′E，31°0.099′N），S3站（122°29.932′E，31°15.261′N）（图２中“▲”符号所示）。在每一个连续测流站分表中底三层用三台ALEC ELECTRONICS公司的COMPACT EM海流计同步观测（王凯等，2007）。海试期间天气以晴好为主，多为1级海况，因此在模拟中可使用Hellerman等（1983）夏季月平均风场作为海试期间的风场条件。

二、水动力模拟结果的验证与分析

1.潮位验证

模拟获得的M2、S2、K1、O1四个主要天文分潮的同潮图（图3）。与沿岸20个验潮站（图2a中“●”符号所示）的相应四个天文分潮的调和常数比较，模拟所得M2、S2、K1、O1振幅误差的绝对平均值分别为：6.72cm、3.67cm、3.25cm、2.42cm；迟角误差的绝对平均值分别为：5.23°、7.21°、6.63°、4.67°（表1）。模型给出的潮汐结果与实际符合良好，成

功描述本研究海区的潮汐特征。

34 N34 N33 N33 NM232 NS232 N31 N31 N30 N30 N29 N29 N28 N28 N27 N27 N26 N26 N25 N119 E120 E121 E122 E123 E124 E125 E25 N119 E120 E121 E122 E123 E124 E125 E

34 N

33 N33 N34 N

32 NK132 NO1

31 N

30 N31 N

30 N29 N

29 N28 N

28 N27 N

27 N

26 N

25 N

119 E120 E121 E122 E123 E124 E125 E26 N25 N119 E120 E121 E122 E123 E124 E125 E图3 模拟所得M2、S2、K1、O1同潮图

表1 计算调和常数与沿岸验潮站的误差表

M2

序站名

号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

吕四

新昌镇

余山

十滧

高桥

宁波

下大陈

披山

坎门

北麂

沙埕

西台

三沙

闽江口

海坛岛

南日岛

梯吴

基隆

淡水

黄尾屿

E(°) N(°)

121.58

121.77

122.23

121.78

121.58

121.57

121.90

121.52

121.28

121.15

120.40

120.70

120.17

119.65

119.85

119.47

119.03

121.75

121.43

123.68

32.12

31.70

31.42

31.47

31.37

29.88

28.45

28.10

28.08

27.55

27.17

27.00

26.97

26.13

25.47

25.27

25.13

25.15

25.18

25.93

位置

Δh Δg

(cm) (°)

4.5

-3.7

-6.6

11.2

-4.5

11.0

11.6

-0.1

5.3

1.5

12.7

8.3

12.7

9.3

-5.4

0.0

2.7

6.1

10.9

-4.4

6.72

12.3

11.8

6.9

-2.8

-14.6

-1.9

-4.7

-2.1

-2.7

-2.5

-3.6

-4.9

-1.0

4.2

-7.6

5.6

1.7

10.4

0.9

2.4

5.23

Δh Δg

(cm) (°)

9.3

0.0

-4.9

2.7

-2.3

-2.3

-10.8

-7.2

-4.5

-5.5

0.3

-0.4

1.2

-3.6

-5.3

-3.9

1.6

0.5

6.1

0.8

3.67

11.5

11.7

12.4

3.9

-14.3

-0.4

-7.7

-8.1

-4.9

-11.7

-7.6

11.4

-5.3

3.7

11.7

-3.5

-2.3

-0.1

1.8

-11.3

7.21

Δh Δg

(cm) (°)

-6.8

2.7

-2.8

-0.9

-3.0

-1.4

-4.1

-3.9

-3.4

-4.3

-3.1

-3.4

-3.4

-4.5

-4.6

-2.8

2.8

-1.9

0.7

-4.7

3.25

13.0

11.3

3.7

-8.7

-12.6

-11.5

-0.5

-2.3

-0.2

-7.5

-2.8

-2.3

-1.1

-4.7

-9.6

-7.8

10.1

4.7

9.3

8.9

6.63

Δh Δg

(cm) (°)

-8.5

0.7

-5.4

-8.4

-5.4

-3.2

-3.5

-2.2

-1.6

-2.4

0.0

-0.6

-0.1

0.4

0.7

-1.7

-0.1

-0.4

0.7

1.4

2.42

2.0

8.5

1.7

-12.5

-12.7

-11.2

0.0

2.3

3.6

2.2

-5.9

-6.1

-3.8

4.8

1.4

0.4

-1.5

6.8

3.5

-2.6

4.67

S2

K1

O1

平均绝对误差

2.海流验证

海流模拟所得结果是同时考虑了风海流，潮流，黑潮及长江径流共同作用的结果。图4是一帧海流模拟瞬时的深度平均流场结果，从该图上可以发现黑潮，潮流等流场形态（由于夏季风较弱，风海流不是太明显）。图5是与2006年8月海试时段相吻合的模拟海流过程曲线与观测所得表、中、底层海流过程的对照图。三测站的潮流性质F=（ＷK1+ＷO1）/ＷM2(W为流速)，经计算在S1，S2和S3站分别为0.45、0.35、0.59，说明该海域基本属于正规半日潮流区，而且该海域以北向流为主(王凯等，2007)。从图5(a)～(c)可以看到模拟所得S1，S2和S3站在表、中、底各层的流速与实测符合良好，其中在S1站表、中、底三层的北分量流速和东分量流速的相关系数均大于0.75,在S2站均超过0.83,S3站各层的相关系数也基本大于0.75，除了底层东分量的结果为0.49。考虑到这一海域是以北分量海流为主，底层流速又相对较弱，因而在S3站底层东分量流速模拟结果的这一差异，不足以影响到整个海流模拟的效果。总起来说，模拟所得的海流结果（包括潮流，风海流，黑潮，长江径流等）体现出本研究海域的实际海流状况。表2给出了模拟海流与观测之间误差的方差和相关系数。

34 N33 N32 N31 N30 N29 N28 N27 N26 N25 N119 E

图4 风海流-潮流（含黑潮，长江径流）深度平均海流模拟瞬时图

120 E121 E122 E123 E124 E125 E

S1（东分量）

*****观测

80400-40-8011:0016:0021:002:007:00cm/s122o51.881\' E 32o

0.187\' N--------计算

80400-40-8011:0016:00S1（北分量）

*****观测

cm/s122o51.881\' E 32o

0.187\' N--------计算

表层( 5m)

12:00

表层( 5m)

time21:002:007:0012:00time80400-40-80cm/s

中层(10m)

80400cm/s

-40-8011:0016:0021:002:00中层(10m)

time7:0012:00time11:0016:0021:002:007:0012:0080400-40-80cm/s80cm/s

底层(28m)

11:0016:0021:002:007:0012:00400-40-8011:0016:0021:002:007:00time

底层(28m)

time12:00DATA:20060804DATA:20060804图5 连续站表中底层海流模拟结果与实测的对照图

表2 模拟海流结果与06′海试实测结果的比较表

站 位

表层

S1站 中层

底层

表层

S2站 中层

底层

表层

S3站 中层

底层

本文作者借助ECOMSED模式,建立起长江口外东海域三维水动力数值模型，获得了较符合实际的风海流-潮流（含黑潮，长江径流等）的模拟结果，为下一步在如此复杂的长江口外海域开展三维悬沙浓度分布的数值模拟打下基础。

误差的方差

U

4.47

3.76

2.56

4.51

4.05

1.65

5.08

4.60

6.37

V

3.68

3.06

2.69

5.88

5.70

1.96

4.03

3.46

1.97

相关系数

U

0.76

0.81

0.75

0.83

0.84

0.94

0.75

0.78

0.49

V

0.86

0.89

0.79

0.95

0.87

0.97

0.88

0.93

0.96

参考文献

丁文兰.1983.东海潮汐和潮流特征的研究.海洋科学集刊， 21:135～148

王凯等.1999.渤海、黄海、东海M2潮汐潮流的三维数值模拟.海洋学报，21(4)：1～13

王凯等.2001. 渤、黄、东海夏季环流的三维斜压模型.海洋与湖沼,32(5):551～560

王凯等.2007.东海三定点周日海流观测的准调和分析.海洋科学，31(8):18～25

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赵保仁等.1994.渤、黄、东海潮汐潮流的数值模拟.海洋学报，16(5)：1～10

Choi B H． 1980.A tidal model of the Yellow Sea and the Eastern China Sea，Korea

Ocean Research and Development． Institute(KORDI)， Rep. 80～102

Choi B H． 1984. A three-dimensional model of the East China Sea[A]．Ichiye T. Ed．Ocean

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Fang Guohong. and tidal current charts for the marginal seas adjacent to

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Hellerman et al. 1983. Normal monthly wind stress over the world ocean with error

estimates. J. Phys. Oceanogr., 13:1093～1104

Mellor et al. 1982. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid

problems.. Reviews of Geophysics and Space physics ,20: 851～875

Smagorinsky, J. l circulation experiments with the primitive equations,

I. The Basic Experiment. Mon. Weather Rev., 91:99～164

A THREE-DIMENSIONAL HYDRODYNAMIC SIMULATION IN THE

OFFSHORE NEAR THE CHANGJIANG ESTUARY

——A CASE STUDY COMPARED WITH OBSERVATIONS

Wang Kai1

，Liu Mimi

1，2

( 1Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071)

(Graduate school of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039)

2Shi Xinhui3

(3College of Mathematics, Ocean University of China, Qingdao 266003)

ABSTRACT

Base on ECOMSED model, a three-dimensional hydrodynamic model is developed in

the offshore area near the Changjiang Estuary in the East China Sea. This model is

driven by tide and wind, as well as inflow and outflow currents such as Kuroshio,

Changjiang runoff. The horizontal resolution is 1/20°. There has 11 layers on the

vertical direction. The numerical results of 4 main constituents of tide (M2, S2,

K1, O1) and currents are in good agreement with observation data. Compared with 20

gauge stations, the mean absolute error between the calculated M2 tidal amplitude

and the observed ones is only 6.72cm; the mean absolute error of phased-lag is 5.23°.

For S2, the mean absolute errors of amplitude and phased-lag are 3.67cm and 7.21°,

respectively. The mean absolute errors of amplitude and phased-lag for K1 are 3.25cm

and 6.63. For O1, the mean absolute error of calculation and observation is relatively

small, amplitude is 2.42cm and phased-lag is 4.67°. The numerical results of

current are also compared with observation data measured during Aug., 2006 in the

East China Sea. The correlation coefficient of current between simulation and

observation are greater than 0.75 generally. The three-dimensional hydrodynamic

model developed by this paper can be well described the characters of elevation and

current in the offshore near the Changjiang Estuary and can be used as hydrodynamic

background to simulate the suspend sediment transport in this sea area.

34 N33 N32 NS131 NS3S230 N29 N28 N27 N26 N25 N119 E120 E121 E122 E123 E124 E125 E图2a计算海域地形及验潮站位置

34 N33 N32 N31 N30 N29 N28 N27 N26 N25 N119 N120 N121 N122 N123 N124 N125 N图2b计算网格

34 N34 N33 N33 NM232 NS232 N31 N31 N30 N30 N29 N29 N28 N28 N27 N27 N26 N26 N25 N119 E120 E121 E122 E123 E124 E125 E25 N119 E120 E121 E122 E123 E124 E125 E

34 N

33 N34 N33 NK132 N32 NO131 N31 N30 N30 N29 N29 N28 N28 N27 N27 N26 N26 N25 N119 E120 E121 E122 E123 E124 E125 E25 N119 E120 E121 E122 E123 E124 E125 E图3 模拟所得M2、S2、K1、O1同潮图

34 N33 N32 N31 N30 N29 N28 N27 N26 N25 N119 E120 E121 E122 E123 E124 E125 E

cm/s80

40

0

-40

-80

11:0016:00cm/s

80

40

0-40

-80

11:0016:00

cm/s80

40

0

-40

-80

11:0016:00

cm/s100

50

0

-50-100

12:00

7:00cm/s100

50

0-50--------计算

-100

7:0012:00

cm/s100

50

0

-50

-10012:00

7:00

S1（东分量）

*****观测

122o51.881\' E 32o

0.187\' NS1（北分量）

*****观测

80400--------计算

cm/s122o51.881\' E 32o

0.187\' N--------计算

表层( 5m)

time21:002:007:0012:00-40-8011:0016:0021:002:00表层( 5m)

time7:0012:0080400cm/s中层(10m)

time21:002:007:0012:00-40-8011:0016:0021:002:00中层(10m)

time7:0012:0080400cm/s底层(28m)

time21:002:007:0012:00-40-8011:0016:0021:002:00底层(28m)

time7:0012:00DATA:20060804DATA:20060804图5(a) S1连续站表中底海流模拟结果与实测的对照图

(实线为模拟结果；符号点为观测值)

S2（东分量）

*****观测

122o54.972\' E 31o

0.099\' NS2（北分量）

*****观测

100500-50--------计算

cm/s122o54.972\' E 31o

0.099\' N--------计算

表层( 5m)

17:0022:003:008:00表层( 5m)

time7:0012:0017:0022:003:008:00time-100100500-50cm/s中层(15m)

time-10017:0022:003:008:007:0012:0017:0022:003:00中层(15m)

time8:00100500-50cm/s底层(35m)

time17:0022:003:008:00底层(35m)

time7:0012:0017:0022:003:008:00-100DATA:20060807DATA:20060807图5(b) S2连续站表中底海流模拟结果与实测的对照图

(实线为模拟结果；符号点为观测值)

cm/s80

40

0

-40

-80

18:00

cm/s80

400-40-8018:00S3（东分量）

*****观测

122o29.932\' E 31o15.261\' NS3（北分量）

*****观测

80400-40--------计算

cm/s122o29.932\' E 31o15.261\' N--------计算

表层( 5m)

time23:004:009:0014:0019:00-8018:0023:00表层( 5m)

time4:009:0014:0019:0080400-40cm/s中层(10m)

time23:004:009:0014:0019:00中层(10m)

time18:0023:004:009:0014:0019:00-8080400-40-80cm/s80400-40cm/s底层(18m)

time18:0023:004:00DATA:200608059:0014:0019:00底层(18m)

time18:0023:004:00DATA:200608059:0014:0019:00-80图5(c) S3连续站表中底海流模拟结果与实测的对照图

(实线为模拟结果；符号点为观测值)